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„Astrotag bei Radio Jena (2/3)“ – Was Sterne zum Leuchten bringt: Intern. Forschungsteam beobachtet nichtlineare Ionisationsvorgänge in heißen dichten Plasmen

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Jenaer Physiker bereiten den Aufbau für die Untersuchung einer Laser-Plasma-Quelle vor. – Foto: FSU Jens Meyer

(Ute Schönfelder) – Wer des Nachts den Blick zum wolkenfreien Himmel richtet, sieht leuchtendes Plasma: Praktisch die gesamte sichtbare Materie im Universum – Sterne, Galaxien und interstellare Materie – besteht daraus. Anders als in den auf der Erde üblichen Aggregatzuständen „fest“, „flüssig“ oder „gasförmig“ liegt die Materie in einem Plasma als Wolke aus Ionen und freien Elektronen vor. Von der Erforschung dieser ionisierten Materie und ihrer Wechselwirkung mit Licht versprechen sich Wissenschaftlerinnen und Wissen­schaftler ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge, die unser Universum geformt haben. Doch während sich Plasmen im Labor relativ einfach erzeugen lassen, ist ihre Untersuchung bislang kaum möglich, da es bisher keine Methoden gibt, den Grad der Ionisierung und die räumliche und zeitliche Verteilung der Ionen hinreichend erfassen zu können.

Das kann sich nun jedoch ändern: In einer soeben im Magazin „Light: Science & Application“ veröffentlichten Arbeit, stellt ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Michael Zürch von der University of California in Berkeley eine Methodik vor, die es erlaubt, die Entstehung und Wechselwirkung von hoch ionisiertem Kryptonplasma mit kohärentem ultravioletten Licht im Femtosekundenbereich direkt zu beobachten. Die Arbeit ist in Kooperation mit dem Team um Prof. Dr. Christian Spielmann im Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena entstanden, in dem Michael Zürch bis 2018 selbst geforscht hat. Erstautor ist der Jenaer Doktorand Frederik Tuitje.

Reconstructed exit field of the laser-plasma amplifier: Here, the hue and brightness represent the phase and intensity, respectively. The radial profile of the intensity shows a Gaussian-like profile with a dip in the centre. Simulations indicate that an overionized zone in the laser-plasma amplifier leads to decreased amplification in the centre of the channel. The phase profile shows a parabolic shape caused by the radially decreasing refraction index. Note: the high standard deviation of the phase above a 40 µm radius arises from the low intensity and the corresponding random phases during the reconstruction. The diameter of the exit field of 52 ± 5 µm (FWHM) is marked with black dashed vertical lines, where the grey bar represents the error. – Grafik: Helmholtz Institute Jena and Ludwig-Maximilian-University Munich

In ihrer Arbeit verwenden die Forschenden einen Laser-Plasma-Verstärker, der achtfach-ionisierte Krypton-Ionen als Lasermedium verwendet. In dieses Plasma senden sie einen kohärenten extrem ultravioletten Sondenpuls, der die Eigenschaften des Plasmas aufnimmt, während er sich durch die vom Laser erzeugte Plasmasäule ausbreitet. Anschließend wird dieser Sondenpuls mit einem neuartigen Röntgenlicht-Streuverfahren detailliert vermessen und liefert so ein Abbild der räumlichen Ver­teilung von Elektronen und Ionen im Plasma. Diese Methode ermöglicht die Messung der Eigenschaften des Sondenpulses, der Informationen über das Plasma in sich trägt, mit sehr hoher Auflösung. „Der Schlüssel zu dieser Analysemethode liegt in der Verwendung eines Sondenpulses mit einer Wellenlänge im extremen UV-Bereich, die kurz genug ist, damit das Plasma transparent wird“, erklärt Zürch. 

Als Ergebnis fanden die Forscher eine räumliche Verteilung von Elektronen und Ionen, die sie in einer Wellenleitergeometrie nicht erwartet hatten. Um diese experimen­tel­len Daten erklären und interpretieren zu können, haben Zürch und seine Kolleginnen und Kollegen ein theoretisches Modell entwickelt, das die Plasma-Licht-Wechsel­wirkung in vier Dimensionen über mehrere Skalen modelliert, bis sie eine Überein­stim­mung mit den experimentellen Daten gefunden haben. „Damit konnten wir das beobachtete Signal auf ein stark nichtlineares Verhalten bei der Laser-Plasma-Wechselwirkung zurückführen, die das hochionisierte Krypton-Plasma erzeugt“, erläutert Zürch.

Mit diesem neuen experimentellen Ansatz lassen sich bisher verwendete theore­tische Modelle zur Simulation von Laser-Plasma-Wechselwirkungen und zur Bildung von hochionisiertem Plasma überprüfen. Eine Erkenntnis aus der vorliegenden Arbeit ist, dass sich mit optischen Techniken nicht beliebig ionisierte Plasmen erzeugen lassen. „Das entwickelte Modell ermöglicht eine genaue Vorhersage der erreichbaren Bedingungen und lässt hoffen, dass durch geeignete Laserstrahlformung sehr defi­nierte Plasmabedingungen erzeugt werden können“, ordnet Prof. Spielmann von der Universität Jena die Studie ein. Und Prof. Zürch ergänzt: „Über ein tieferes Verständ­nis der Laser-Plasma-Wechselwirkungen hinaus haben unsere Erkenntnisse auch Auswirkungen auf die Entwicklung von plasmabasierten Röntgenlichtquellen oder plasmabasierten Fusionsexperimenten.

Autor: RADIO JENA Redaktion JENAhoch2

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